用于辐射冷却器的光束受控的光谱选择性架构制造技术

本公开的被动式冷却器包括热发射器，热发射器具有基板和设置在基板的第一侧的至少一部分上的涂层。冷却器具有由对太阳光波长具有高吸收率且在中红外波长下具有高反射率的材料制成的光束引导器。光束引导器配置为使得入射光的至少一部分在到达热发射器前作用在光束引导器上。在一些实施方案中，光束引导器具有渐变的光学指数。有渐变的光学指数。有渐变的光学指数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于辐射冷却器的光束受控的光谱选择性架构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2018年8月17日提交的美国临时专利申请第62/719,543号(现在待审)的优先权，该申请的公开内容通过引用并入本文。


[0003]本公开涉及一种被动式辐射冷却器。

技术介绍

[0004]空气调节是能量的重要终端用途和全球最高电力需求的主要驱动。例如，在美国空气调节消耗建筑物使用的主要能量的～15％且在一些热带地区(例如，沙特阿拉伯)消耗令人震惊的总电力消耗的70％。因此，进行冷却而无需电力输入的被动式冷却策略对全球能耗具有重要作用。地球的大气对8至13μm(对应于在典型环境温度(例如，～20℃至45℃)下陆地物体的最高热辐射光谱范围)之间的电磁(EM)波具有透明窗。这个透明窗为冷却通道，通过该冷却通道地球表面上的热体可以将热辐射至冷的外太空。在专利技术冰箱之前，这种机制用于夜间制冰。在现代建筑物中的热管理的研究中，数十年来对屋顶和窗户的颜色和材料性能进行利用以用于辐射冷却。这样的性能可以有助于在日间期间通过屋顶降低热增量且在日落后更快地冷却房间/房屋。然而，最常规的辐射冷却技术仅在夜晚工作，这是由于在日间期间日光加热是主导的。为了实现全天连续冷却，当最高冷却需求实际发生时的日间期间实现有效辐射冷却是必须的。
[0005]最近，使用各种热光子结构，打破记录的日间辐射冷却策略得到实验证明。例如，报道了一种用于日间辐射冷却的平面多层光子装置，该装置将温度降低至比环境温度低4.9℃。然而，多层热光子结构要求纳米级的厚度控制精确度，对实际日间辐射冷却施加了成本屏障。为了克服这个成本屏障，报道了使用卷对卷(roll
‑
to
‑
roll)工艺制造的混合超材料结构，该混合超材料结构在无云的晴天具有～100W/m2的冷却功率。这也将有助于延长装置的寿命。这些开拓性工作证明了实现日间辐射冷却而无需电力消耗的可能性。这种技术可以用于辅助建筑物中的气候控制，节约大部分能量使用。因此，增强的辐射冷却技术代表一种新的研究主题，其对能量可持续性具有重要作用。然而，相对昂贵的制造对这些日间冷却策略的实际应用施加了成本屏障。因此，存在对以下技术的需要：改善用于冷却系统的热管理且增强用于日间辐射冷却的性价比。

技术实现思路

[0006]辐射冷却是具有零电力消耗的被动式冷却策略。尽管这种技术在夜间在最优大气条件下可以良好地工作，有利的是在当最高冷却需求实际发生的日间期间实现有效辐射冷却。在本公开中，我们描述了一种便宜的平面聚二甲基硅氧烷(PDMS)/金属热发射器薄膜结构，其可以使用可扩展为大面积制造的快速溶液涂布工艺来制造。通过操纵热辐射的聚束效应，在实验室环境下，9.5℃的温度降低得到证明。此外，设计和实现了一种光谱选择性日
光遮蔽架构以在日间期间抑制太阳能输入。由于增强的热发射引导，辐射冷却性能对周围环境的依赖性被最小化。室外实验在纽约的布法罗进行，在北美纬度地区的一个典型的无云的晴天实现了具有多至11.0℃的温度降低和～120W/m2的平均功率的连续全天辐射冷却。进行冷却而无需任何电力输入的这种实用的被动式冷却策略可以对全球能耗具有重要影响。
附图说明
[0007]为了更全面地理解本公开的性质和目的，应当参考与附图结合的以下详细描述，其中：
[0008]图1A是平面PDMS/金属热发射器的示意图。
[0009]图1B是具有150μm的厚度的平面PDMS/Al膜的吸收/发射光谱。实线曲线：数值模拟；球体：测量的数据。
[0010]图1C是随PDMS膜厚度变化的平面PDMS/Al膜的模拟吸收光谱。
[0011]图1D是操作下的示例性PDMS涂布设施的照片。
[0012]图1E是Al板上的涂布的PDMS膜的边缘的照片。
[0013]图1F是PDMS膜的横截面轮廓。插图：五个样品的测量的厚度。
[0014]图2A是使用液氮作为冷源的室内辐射冷却系统的实验装备的示意图。
[0015]图2B是图2A的实验装备的照片。
[0016]图2C示出了在10μm的波长下平面PDMS/Al空腔发射器的测量的(左)和模拟的(右)取决于角度的吸收分布。
[0017]图2D为示出了具有不同收集效率(即，θ从15
°
变为90
°
)的测量的辐射冷却作用的图表。
[0018]图2E是示出了在15
°
至90
°
的不同收集角度内100
‑
μm
‑
厚的PDMS/Al空腔发射器的计算的冷却功率。
[0019]图3、不同发射角度下的室外辐射冷却试验。
[0020]图3A示出了大气透射光谱和太阳辐射光谱(阴影区域标记了太阳光谱)。
[0021]图3B示出了在10μm的波长下模拟的取决于角度的大气透射分布。
[0022]图3C为根据本公开的实施方案的室外辐射冷却试验装置的示意图。
[0023]图3D至3F为在布法罗大学的不同位置的测量的温度曲线(下方板块)的图表(上方板块示出了使用广域镜头在各个位置拍摄的照片)，其中图3D中示出了位置
‘
A
’
，图3E中示出了位置
‘
B
’
，图3F中示出了位置
‘
C
’
。
[0024]图3G为示出了随收集角度变化的计算的温度降低的图表，其中圆圈示出了从图3D至3F提取的测量数据。
[0025]图4、日间冷却的集束效应和日光遮蔽。
[0026]图4A为示出了理想的选择性吸收器(灰色线条)和商用光谱选择性吸收器(黑色线条)的吸收光谱的图表。
[0027]图4B为根据本公开的实施方案的用于热发射光束控制和抑制太阳能输入的具有锥形波导结构的冷却系统的示意图。
[0028]图4C为具有法向入射阳光(波长为500nm)的模拟的光束传播分布。
[0029]图4D示出了在中红外波长区域(在10μm下)的平面系统(上方板块)和集束系统(下方板块)的输出热光束传播分布。
[0030]图4E为根据本公开的实施方案的集束系统的照片。
[0031]图4F为示出了在位置A(图3D)处的室外实验结果的图表。
[0032]图4G为示出了在位置B(图3E)处的室外实验结果的图表。
[0033]图4H为示出了在位置C(图3F)处的室外实验结果的图表。
[0034]图5A是全天连续辐射冷却实验期间在布法罗的房屋的后院进行的连续辐射冷却实验的照片。
[0035]图5B为示出了来自连续50小时冷却试验(使用图5A的装备)的数据的图表，其示出了环境温度、集束系统中的温度和控制系统的温度。
[0036]图5C为示出了集束系统与控制系统中图5A的装备实现的温度差的图表。
[0037]图6是示出了用于P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种被动式冷却器，包括：热发射器，所述热发射器具有基板和设置在所述基板的第一侧的至少一部分上的涂层；和光束引导器，所述光束引导器由对太阳光波长具有高吸收率且在中红外波长下具有高反射率的材料制成，并且其中所述光束引导器配置为使得入射光的至少一部分在到达所述热发射器前作用在所述光束引导器上。2.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述光束引导器具有在所述光束引导器的厚度的至少一部分上渐变的光学指数。3.根据权利要求2所述的被动式冷却器，其中所述光束引导器包括折射率渐变膜。4.根据权利要求3所述的被动式冷却器，其中所述折射率渐变膜包括金属颗粒，并且所述金属颗粒的密度在所述膜的厚度的至少一部分上是变化的。5.根据权利要求4所述的被动式冷却器，其中所述折射率渐变膜包括SiO2，并且所述SiO2的密度在所述膜的厚度的至少一部分上是变化的。6.根据权利要求5所述的被动式冷却器，其中所述折射率渐变膜包括两个或更多个层，并且其中至少一个层的Ag和/或SiO2的密度不同于至少一个其他层的对应密度。7.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述光束引导器配置为吸收大于40％、50％、60％、70％或80％(或其之间的任何值)的波长<～4μm的入射光。8.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述光束引导器配置为吸收少于40％、30％、20％、10％或5％(或其之间的任何值)的波长为～4至13μm的入射光。9.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述热发射器的所述涂层配置为吸收少于20％的波长<2μm的入射阳光。10.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述基板是金属。11.根据权利要求10所述的被动式冷却器，其中所述基板是铝。12.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述涂层是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。13.根据权利要求1所述的被动式冷却器，进一步包括与所述基板的所述第一侧间隔开的...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘巧强，周律，喻宗夫，宋昊旻，
申请(专利权)人：威斯康星校友研究基金会，
类型：发明
国别省市：